L’ascesa dei materiali auto-rigeneranti.

Ci troviamo nel mezzo della piena e affascinante ascesa di materiali auto-rigeneranti capaci di imitare ciò che normalmente avviene in Natura.

Le cose si rompono. Questa è la vita. Questa è la fisica. Uno smartphone cade e lo schermo si rompe. Lo spazio per un parcheggio non viene calcolato correttamente e la vernice viene graffiata. Ciò è frustrante, frequente, costoso e comporta noiose perdite di tempo. Alcune volte le diramazioni o anche le più piccole fratture sono molto più serie. Una piccolissima fessura si forma in una diga di cemento. Una finestra di un grattacielo si frattura ed eventualmente si rompe facendo piovere a terra frammenti. Una rottura microscopica nella fusoliera di un aeroplano si ingrandisce e ne provoca la rottura.

Sostituire lo schermo rotto di un tablet è una cosa. Sostituire la finestra fessurata in un grattacielo è più difficile. Identificare una frattura quasi impercettibile in una macchina con quasi sei milioni di parti funzionali è difficile a occhio nudo. Standard di sicurezza, ispezioni rigorose e manutenzioni salvano vite, ma sarebbe bello se le cose rotte si potessero riparare da sole.

Fortunatamente siamo nel mezzo della piena e affascinante ascesa di materiali auto -rigeneranti che promettono di fare proprio questo.

I materiali auto-rigeneranti

Ma cosa significa “auto-rigeneranti” in questo contesto?
Il termine richiama alla biologia e in effetti quella di essere auto-riparanti è una caratteristica delle cose viventi dal DNA alle pareti delle cellule auto-riparanti in un organismo monocellulari così come la capacità di auto-ripararsi della pelle a seguito delle ferite e delle ossa nel nostro corpo.

Alcuni sforzi per produrre materiali auto riparanti fanno realmente affidamento sull’uso di micro organismi viventi come nel caso del calcestruzzo autorigenerante che usa microbi per produrre calcite.

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Materiali intelligenti e polimeri

Tuttavia, la maggior parte dei materiali intelligenti vede l’utilizzo dei polimeri.
La parola polimero deriva dal greco e letteralmente significa “molte parti”. Sono essenzialmente grandi molecole costituite da unità più piccole che si ripetono. I polimeri naturali ci circondano e sono anche in noi. La cellulosa delle piante è un polimero, così come il nostro DNA. La lista dei polimeri sintetici è molto lunga: PVC, polystirene, nylon…
Quando un materiale si rompe, al livello molecolare i legami tra alcune delle molecole si rompono.

La capacità dei polimeri di auto ripararsi si riduce alla natura di queste unità molecolari e alla loro capacità di riorganizzarsi e riformare legami le une con le altre. Quando lo schermo del telefono si rompe, non c’è sufficiente energia affinché ciò accada. La forma delle molecole è tale per cui esse possono essere intrecciate, diffondere lentamente e non riallinearsi bene le une con le altre.
Ma un polimero auto-rigenerante può essere fatto su misura per diventare chimicamente “viscoso” lungo la linea di rottura. Questo è il caso in cui filamenti di polimeri sono collegati da molte coppie di atomi di zolfo a formare un piccolo ponte.

Disulfide bonds between polymer strands break and can re-form WIKIMEDIA COMMONS

Disulfide bonds between polymer strands break and can re-form WIKIMEDIA COMMONS

La connessione tra questi atomi di zolfo è forte ma non tanto come i legami tra gli atomi delle catene principali di ciascun polimero, cosicchè quando questo materiale si rompe, è il legame del disolfuro che si rompe. Quegli atomi che si sono separati si riallineano subito.
Polimeri possono essere anche progettati per rispondere ad una grande varietà di differenti condizioni energetiche. In alcuni casi basta una leggera pressione, come nel caso in cui si pressino due pezzi rotti uno contro l’altro. In altri casi può essere la temperatura. NASA ha progettato un polimero che non è a prova di proiettile, ma è permeabile al proiettile: un proiettile romperà il polimero, ma simultaneamente, la temperatura di impatto permetterà al polimero di fluire e di legarsi, sigillandosi dopo che il proiettile lo attraversa. Anche se non ideali per la protezione del corpo, questo tipo di materiale risulta essere molto utile in caso di riparazione di danni ai satelliti e alle astronavi causati dai detriti ad alta velocità.

Campi di applicazione

Tali materiali intelligenti sono particolarmente utili in caso di riparazione delle piccole fratture che sono difficili da trovare o difficili da raggiungere, ma altri materiali auto rigeneranti sono progettati in maniera tale da potersi riparare solo in caso di specifiche condizioni in maniera tale da poter controllare la riparazione.

Alcuni ricercatori stanno progettando polimeri in grado di auto-ripararsi in presenza di determinate lunghezze d’onda. Si immagini di fissare il graffio della vernice sulla propria macchina illuminando semplicemente con una piccola luce UV l’area danneggiata. Il polimero fluisce nel graffio e si lega non lasciando traccia del danno.

Altro polimeri sono progettati per rispondere a specifici campi elettromagnetici. Ciò è particolarmente utile nel caso in cui un polimero non sia composto dalla stessa unità molecolare ripetitiva, ma invece comprenda differenti segmenti e ciascuno risponda a specifici campi elettromagnetici. Come tali si può costruire il materiale pezzo dopo pezzo cambiando il campo che si utilizza. Ciò si rivela immensamente utile nella costruzione di nano circuiti.

C’è una miriade di possibilità per i materiali auto-rigeneranti, con potenziali applicazioni in tutto ciò che va dalle strutture 3D a parti del corpo biocompatibili a parti di navicelle spaziali.

Correlazioni con le proprietà termiche

Particolarmente interessante è, in tale ambito, la caratterizzazione termica di questi materiali al variare della temperatura.
Analizzare la variazione dei parametri, quali conducibilità, calore specifico e diffusività, potrebbe essere di fondamentale rilevanza nella fase di progetto del materiale e nell’ottimizzazione dello stesso.

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I trend da monitorare

Qui vi sono alcuni dei recenti sviluppi da tenere in considerazione:

  • Un polimero per vetro auto-rigenerante
  • Particelle d’oro auto-rigeneranti
  • Gomma auto-rigenerante
  • Nanoparticelle di silicio auto-rigeneranti per batterie a lunga durata
  • Uno spray su repellenti ad acqua che si auto-rigeneri

FONTE
https://www.forbes.com/sites/fionamcmillan/2017/12/21/the-rise-of-self-healing-materials/#5cc937a764c3

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